Введение к работе
Актуальность работы.
Взаимодействие двух антагонистичных порядков, сверхпроводимости и ферромагнетизма, является предметом интенсивных исследований уже в течение последних 40 лет. Первоначально их взаимное влияние изучалось в сплавах и интерметаллических соединениях. Эта ветвь исследований до сих пор остается актуальной в физике сверхпроводимости. В связи с революционным скачком в технике приготовления высококачественных тонкопленочных металлических пленок и сверхрешеток в последнее время интерес сместился в область искусственно приготовленных многослойных гетероструктур. В тонкопленочных гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик (С/Ф) были обнаружены такие новые физические эффекты, связанные с влиянием ферромагнетизма на сверхпроводящие свойства системы, как немонотонная зависимость температуры перехода в сверхпроводящее состояние от толщины ферромагнитного слоя, Джозефсоновская 7Г-СВЯЗЬ для систем С/Ф/С, эффект спинового экранирования и др. Разработанные теоретические модели указывают на то, что в тонкопленочных системах Ф1/Ф2/С [1] и Ф/С/Ф [2] возможно осуществить контролируемое полное включение и выключение сверхпроводящего тока благодаря эффекту близости С/Ф. Согласно расчетам [1, 2] для антипараллельной (Р) ориентации намагниченностей Ф слоев температура перехода в сверхпроводящее состояния Т^р должна быть больше, чем ТР для их параллельной (Р) ориентации. Это явление было названо эффектом сверхпроводящего спинового клапана. Интерес к данной области физики вызван не только фундаментальным значением данных исследований, но и возможным практическим применением для нужд спинтроники. Все это подчеркивает актуальность исследований в этом направлении. Было опубликовано несколько экспериментальных работ (см., например, [3-7]), в которых наблюдался эффект спинового клапана для систем Ф/С/Ф. Однако величина эффекта АТС = Т^р—ТР во всех экспериментальных работах была меньше ширины перехода конструкции в сверхпроводящее состояние дТс. Ввиду этого полное переключение между сверх-
проводящим и нормальным состояниями достигнуто так и не было.
Относительно недавно в работах [8] и [9] были получены данные, позволяющие утверждать, что конструкция Ф1/Ф2/С является более перспективной. Образцы представляли собой многослойную структуру из пленки ванадия V, находящегося в контакте со сверхрешеткой [Fe2Vn]2o- Выбор сверхрешетки [Fe2Vn]2o в качестве магнитной части образцов был обусловлен рядом технических преимуществ по сравнению с классической трехслойной схемой Ф/Н/Ф. При этом ее недостатком выступает высокое значение магнитного поля Hsat = 6 кЭ, которое необходимо, чтобы в сверхрешетке перевести намагниченности слоев железа в параллельную ориентацию. В данном устройстве невозможно осуществить мгновенное переключение намагнпченностей между АР и Р ориентациями, поскольку переход между ними происходит плавно. Тем не менее, анализ температурной зависимости критического поля для данной системы показал, что потенциально величина эффекта сверхпроводящего спинового клапана может достигать значения 200 мК, при ширине перехода 100 мК.
Цель диссертационной работы заключалась в экспериментальной реализации полного эффекта сверхпроводящего спинового клапана и исследовании его особенностей в зависимости от параметров конструкции.
Выбор объекта исследования:
Исходя из сравнения данных, полученных для обеих предложенных конструкций [1, 2], основным объектом исследования в рамках данной работы была выбрана конструкция клапана Ф1/Ф2/С [1], поскольку она представлялась наиболее перспективной для экспериментальной реализации сверхпроводящего спинового клапана. В качестве слоев сверхпроводника и ферромагнетиков использовались индий In и железо Fe, соответственно. Важную роль в эффекте близости играет качество границы раздела С/Ф. А именно, низкая шероховатость и отсутсвие диффузного и интерметаллического слоев, образованных веществами соответствующих пленок. К таким сочетаниям металлов относятся Fe/Pb и Fe/In.
В соответствие с поставленной целью надо было решить следующие задачи:
-
Разработать технологию приготовления тонкопленочных гетероструктур СоО. /Fel/Cu/Fe2/In с контролируемыми и воспроизводимыми свойствами.
-
Используя схему образцов Ф1/Ф2/С, создать оптимальный вариант сверхпроводящего спинового клапана, в котором возможно полное переключение между нормальным и сверхпроводящим состоянием.
-
Исследовать особенности эффекта сверхпроводящего спинового клапана при вариации толщин сверхпроводящего С слоя и промежуточного слоя ферромагнетика Ф2.
-
Установить механизмы, определяющие эффект спинового клапана для сверхпроводящего тока, и провести теоретический анализ полученных результатов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые получено полное переключение между сверхпроводящим и нормальным состояниями в системе сверхпроводящего спинового клапана модели Ф1/Ф2/С [1]. Экспериментальная реализация данного эффекта выполнена для тонкопленочной гетероструктуры CoOa;/Fel/Cu/Fe2/In.
-
Впервые обнаружена осцилляционная зависимость с переменой знака величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана от толщины ферромагнитного слоя Fe2 при фиксированных толщинах остальных слоев в составе исследуемых систем.
-
Обнаружена немонотонная зависимость температуры сверхпроводящего перехода Тс от толщины ферромагнитного слоя Fe2 при фиксированных толщинах остальных слоев в составе исследуемых систем.
-
На основе анализа экспериментальных данных с использованием современных теорий эффекта близости установлено, что наиболее вероятным физическим механизмом осцилляционных зависимостей является квантовая интерференция парных волновых функций на границе раздела Ф2/С.
Научная и практическая значимость:
-
Экспериментально показано, что эффект близости С/Ф в системе CoO^/Fel /Cu/Fe2/In позволяет осуществлять полное контролируемое переключение сверхпроводящего тока.
-
Теоретическая интерпретация экспериментальных результатов позволила установить роль механизма квантовой интерференции парных волновых функций в исследуемой системе.
-
Полученные результаты могут лечь в основу конструирования сверхпроводящего спинового клапана с более высокими сверхпроводящими параметрами, а также могут служить новой ступенью в понимании физики взаимного влияния сверхпроводимости и ферромагнетизма.
Достоверность результатов работы определяется комплексным характером выполненных экспериментальных исследований, использованием современного оборудования для регистрации толщин, магнитных и транспортных свойств образцов, а также использованием оптимальной методики изготовления гетерострук-тур, воспроизводимостью экспериментальных результатов и анализом полученных данных на основане современных теоретических моделей.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
-
Экспериментальная реализация полного эффекта сверхпроводящего спинового клапана модели Ф1/Ф2/С в тонкопленочной системе CoOa;/Fel/Cu/Fe2 /In.
-
Обнаружение знакопеременной осцилляционной зависимости величины эффекта сверхпроводящего спинового клапана и осцилляционной зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние от толщины слоя ферромагнетика Fe2.
-
Теоретическая интерпретация экспериментальных результатов на основе явления квантовой интерференции парных волновых функций.
Личный вклад автора: Подбор оптимальных режимов приготовления образцов и их первичная характеризация; проведение ФМР измерений для установления легкой оси намагничивания; исследование магнитных свойств образцов при
помощи метода SQUID магнитометрии; исследование сверхпроводящих свойств образцов при помощи четырехконтактного метода; обработка, анализ и интерпретация экспериментальных данных на основе современных теоретических моделей; участие в написании, оформлении и подготовке статей в печать.
Апробация работы: Основные результаты данной работы были представлены на следующих научных конференция: II International Conference for Young Scientists "Low Temperature Physics" (Kharkiv, 2011) (Отмечена в качестве лучшей в секции "Superconductivity"), The International Conference "Spin Physics, Spin Chemistry and Spin Technology" (Kazan, 2011). Данная работа также была представлена в Форуме-олимпиаде по нанотехнологиям: "V Всероссийский Интеллектуальный Форум-олимпиада по нанотехнологиям" (Москва, 2011) и была признана одной из лучших работ.
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК, а также в материалах и тезисах вышеперечисленных конференций.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка авторской литературы и списка цитируемой литературы, содержащего 106 наименований. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, включая 28 рисунков и 4 таблицы.
